《International Journal of Biological Macromolecules》：Insights into the role of highland barley β-glucan in enhancing gel properties and delaying retrogradation of highland barley starch
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β-葡聚糖（HBG）通过氢键与高寒barley淀粉（HBS）相互作用，显著提升其凝胶硬度（17.3%和32.2%）并延缓回生（短时回生减少18.7%，相对结晶度降低34.2%），同时提高抗性淀粉含量至39.3%。本研究采用添加法构建HBG-HBS复合体系，揭示了HBG竞争结合水分和阻碍淀粉链重组的机制，为开发质地稳定且低GI的高寒barley基功能食品提供理论依据。
陈小培|李阳|魏金边|韩志辉|王浩然|曹如歌|王莉莉
天津科技大学食品科学与工程学院，天津，300457，中国
摘要
β-葡聚糖对淀粉性质的影响在很大程度上取决于其来源和添加方式；然而，高地大麦β-葡聚糖（HBG）如何影响高地大麦淀粉（HBS）的回生作用机制仍不清楚。本研究探讨了添加1%–12% HBG对HBS糊化、短期（1天）和长期（7天）回生以及体外消化率的影响。结果表明，HBG的添加以浓度依赖的方式显著改变了HBS的物理化学性质。具体而言，12% HBG使HBS的峰值粘度和最终粘度分别增加了80.9%和75.5%。这种增强作用主要归因于HBG与HBS之间的氢键相互作用，而非HBG本身的粘度。此外，12% HBG改善了淀粉凝胶网络结构，表现为储存1天和7天后凝胶硬度分别增加了17.3%和32.2%，并有效延缓了淀粉的回生。从机制上看，HBG通过氢键与HBS相互作用，竞争水分子，并阻碍淀粉链的重排，导致在12%浓度下HBS的短程分子有序性和相对结晶度分别降低了18.7%和34.2%。同时，HBG将HBS中的抗性淀粉含量从19.8%提高到了25.2%–39.3%。本研究揭示了HBG通过改善HBS凝胶的结构并延缓其回生来提升其质地的机制，为开发具有稳定质地和低血糖指数的基于高地大麦的功能性食品提供了理论基础。
引言
高地大麦（Hordeum vulgare L.），也称为无壳大麦，主要在中国的高海拔地区种植，尤其是青海和西藏，年产量约为138万吨。由于其丰富的营养成分，包括β-葡聚糖（约3.6%–8.6%）、蛋白质（约12.43%）、酚类（约3.85–4.15 GAE/g）和膳食纤维（约9.75%）[3]，[4]，高地大麦近年来受到了开发低热量和低血糖指数功能性食品的广泛关注[1]，[2]。然而，高地大麦淀粉（HBS）的回生是导致高地大麦产品在储存过程中质量下降的主要原因，HBS占高地大麦干重的49.1%–68.6%。糊化后，无序的HBS分子通过氢键重新结合，形成有序的晶体结构，这一过程称为淀粉回生[3]。该过程分为两个阶段：短期回生，表现为冷却后几小时内淀粉支链的快速重组；长期回生，由支链淀粉的缓慢结晶驱动，持续数周[5]。这些变化显著影响了面包和新鲜面条等传统食品的品质。随着回生的进行，食品会发生淀粉重结晶和水分流失，导致口感粗糙[6]，[7]，并限制了保质期和消费者的接受度。为了改善基于高地大麦的食品的质地和营养价值，人们采用了多种策略，如添加水溶性胶体[7]、挤压处理[2]、等离子体处理[9]和热处理[10]来调节HBS的回生。
在众多调节淀粉回生的方法中，水溶性胶体因其优异的吸水性和增稠能力而被广泛使用。它们通过三种主要机制限制淀粉的重排：竞争水分子、在颗粒周围形成物理屏障以及与淀粉分子直接结合[11][12]。β-葡聚糖是一种存在于谷物、藻类和真菌细胞壁中的非淀粉多糖，具有多种生理功能，如调节血糖和降低胆固醇[13]。研究表明，燕麦、大麦、酵母和香菇多糖中的β-葡聚糖可以通过物理限制淀粉分子的移动和增加体系粘度来延缓大米、小麦和豌豆淀粉的回生[14][15]。β-葡聚糖的分子量和精细结构（包括β-1,3糖苷键与β-1,4糖苷键的比例）及其与淀粉的相互作用是决定其抑制淀粉回生效果的关键因素。与酵母葡聚糖相比，燕麦和大麦β-葡聚糖的分子量较低，但对小麦淀粉回生的抑制作用更强[16]。尽管高地大麦中富含内源性β-葡聚糖，但现有的关于HBS-高地大麦β-葡聚糖（HBG）系统的研究主要集中在糊化和消化行为上。研究表明，HBG可以延缓HBS的糊化并降低糊化焓[17]。此外，HBG与蛋白质的相互作用在限制HBS水解方面起着关键作用[18]。然而，HBG如何在短期和长期储存过程中具体调节HBS的多尺度结构演变仍不清楚。阐明这一相互作用对于理解基于全谷物高地大麦食品的品质变化至关重要。
此外，以往研究的方法学存在一个关键缺陷。淀粉-水溶性胶体系统通常采用两种方法制备[12]：替代法和添加法。许多研究使用替代法，比较了100%淀粉制成的凝胶与（100%–x)%淀粉+x%水溶性胶体制成的凝胶。然而，这种方法不可避免地会稀释淀粉浓度，导致糊化粘度和凝胶强度降低，可能掩盖了水溶性胶体的实际增强效果。相反，添加法更有效地模拟了功能性食品的强化过程，并有助于研究网络强化机制。我们的初步研究表明，内源性HBG的粘度明显低于糊化后的HBS粘度。这一发现表明，影响HBS糊化和回生的因素是HBG与HBS之间的相互作用，而非HBG本身的粘度。因此，在本研究中，我们采用了添加法构建了HBG-HBS复合体系。本研究旨在探讨HBG对HBS糊化、回生和体外消化率的影响，并从分子相互作用和微观结构的角度阐明HBG调节HBS回生的潜在机制。这为开发具有稳定质地和高营养价值的全谷物高地大麦食品提供了重要的理论基础。
材料
高地大麦颗粒（Guide Kunlun No. 14）来自青海省农林科学院。HBG（分子量[Mw] = 2.72 × 10^5 Da，纯度>95%）、总淀粉含量测定试剂盒、直链淀粉含量测定试剂盒和淀粉糖苷酶购自Megazyme（Megazyme International Ireland，Bray，爱尔兰）。α-淀粉酶（来自猪胰腺，≥10 U/mg）、胃蛋白酶（来自猪胃黏膜，≥400 U/mg）和胰酶（来自猪胰腺，符合USP规格4倍）
膨胀能力和直链淀粉渗出
在糊化过程中，随着温度的升高，淀粉颗粒开始膨胀，直链淀粉渗出。如图1所示，HBG的添加改变了HBS的膨胀性质和直链淀粉渗出行为，表现出不同的趋势。随着HBG浓度的增加（0%–12%），HBS的溶解度显著从4.53%增加到13.07%（图1A，P < 0.05），这主要归因于HBG的高水溶性和亲水性。
结论
本研究阐明了内源性HBG如何调节HBS的回生。与替代法中常见的淀粉稀释效应不同，HBG的添加显著提高了HBS的粘度和凝胶硬度。这种增强作用主要归因于特定氢键相互作用形成的强HBG-HBS互穿网络，而非HBG本身的粘度。此外，HBG还与水分子竞争结合，导致空间位阻效应。
CRediT作者贡献声明
陈小培：撰写初稿、软件处理、方法设计、数据整理。李阳：撰写初稿、方法设计、概念构思。魏金边：软件处理、数据分析。韩志辉：数据验证、软件分析。王浩然：资源提供、实验支持。曹如歌：资源协调、实验实施。王莉莉：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2025YFD2100401、2024YFD1601000、2025YFD2100100）和拉萨科技计划项目（LSKJ202431）的资助。
